چاپ سه بعدی چرخشی چیست؟
محققان دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان ای. پالسون هاروارد (SEAS) یک تکنیک چاپ سه‌بعدی توسعه داده‌اند که امکان چیدمان الیاف کوتاه را درون ماده چاپ سه‌بعدی فراهم می‌کند. برای انجام این کار، سر چاپگر می‌چرخد، به همین دلیل آن را چاپ سه‌بعدی چرخشی می‌نامیم.
هدف از نازل چرخشی چیست؟
این تکنیک امکان کار بر روی موقعیت میکروفیبرها را فراهم می‌کند. این روشی برای کار بر روی ریزساختار قطعات برای تغییر خواص آنهاست. این می‌تواند راه حل مناسبی برای تقویت برخی از قسمت‌های شیء ایجاد شده با تغییر ریزساختار پیچیده مواد باشد.
به دلیل ماهیت طرح‌های جوهر، می‌توان از چندین ترکیب مختلف پرکننده و ماتریس برای تنظیم خواص الکتریکی، نوری یا حرارتی اشیاء چاپ سه‌بعدی استفاده کرد.
چگونه کار می کند؟
نحوه کار این است که محققان با دقت بسیار زیاد سرعت و چرخش نازل چاپگر سه‌بعدی را تنظیم می‌کنند تا چیدمان الیاف جاسازی‌شده در ماتریس‌های پلیمری را برنامه‌ریزی کنند. آن‌ها این کار را با تجهیز یک سیستم هد چاپ چرخشی به یک موتور پله‌ای برای هدایت سرعت زاویه‌ای نازل چرخان هنگام اکسترود شدن جوهر انجام می‌دهند.
یک تکنیک چاپ برای بازتولید مکانیسم‌های طبیعی
مهندسی الهام گرفته از زیست‌شناسی چیزهای زیادی برای ارائه دارد و ما باید کاملاً در مورد آن فکر کنیم. چاپ سه‌بعدی چرخشی در واقع همان خواص مکانیکی چشمگیر و ریزساختارهای پیچیده موجود در طبیعت را بازتولید می‌کند. این فرآیند زیست تقلید نامیده می‌شود.
مزایای این روش چاپ جدید
استفاده از مواد کمتر برای دستیابی به قطعات مقاوم
کنترل جهت‌گیری الیاف، امکان الگوسازی مواد و ایجاد قطعاتی با استحکام و سختی بالاتر را فراهم می‌کند. این فرآیند راهی برای اصلاح ریزساختار و ایجاد عملکردهای جدید با همان ماده است. این یک راه حل برای افزایش تحمل آسیب در برخی نقاط خاص است.
اگر بتوان مقاومت یک ماده را با استفاده از چاپ سه‌بعدی چرخشی بهینه کرد، استفاده از مواد چاپ سه‌بعدی کمتر کاملاً امکان‌پذیر می‌شود. چاپ سه‌بعدی چرخشی می‌تواند برای دستیابی به آرایش الیاف بهینه یا نزدیک به بهینه در هر مکان از قطعه چاپ‌شده مورد استفاده قرار گیرد که منجر به استحکام و سختی بالاتر با مواد کمتر می‌شود.
آیا استفاده از این تکنیک با هر ماده‌ای امکان‌پذیر است؟
یکی از محققان این پروژه، برت کامپتون، می‌توان در هر روش چاپ اکستروژن مواد، از جمله FDM/FFF، چاپ مستقیم با جوهر و تولید افزودنی ترموپلاستیک در مقیاس بزرگ، با استفاده از هر ماده پرکننده از فیبر کربن و شیشه گرفته تا ویسکرهای فلزی یا سرامیکی و پلاکت‌ها، به کار برد. این روش امکان چاپ سه‌بعدی مواد مهندسی‌شده را فراهم می‌کند که می‌توانند به صورت مکانی برای دستیابی به اهداف عملکردی خاص برنامه‌ریزی شوند. به عنوان مثال، جهت‌گیری الیاف را می‌توان به صورت محلی بهینه کرد تا تحمل آسیب در مکان‌هایی که احتمالاً در طول بارگذاری بیشترین تنش را متحمل می‌شوند، افزایش یابد و نقاط شکست بالقوه را سخت کند.
مواد ناهمسانگرد (Anisotropic) از طریق چاپ سه بعدی چرخشی
ناهمسانگردی ویژگی یک ماده است که در آن خواص مکانیکی، الکتریکی، حرارتی، نوری و غیره در جهات مختلف تغییر می‌کند. چاپ سه‌بعدی مزایای استثنایی در دستیابی به ترکیبات کنترل‌شده و معماری پیچیده ارائه می‌دهد و در نتیجه امکان ساخت اشیاء سه‌بعدی با ویژگی‌های ناهمسانگرد را فراهم می‌کند.
1.چگونه چاپ سه‌بعدی چرخشی ناهمسانگردی ایجاد می‌کند
در چاپ سه‌بعدی سنتی (مثلاً FDM)، الیاف به صورت لایه به لایه رسوب می‌کنند که منجر به پیوندهای ضعیف بین لایه‌ای و خواص یکنواخت در همه جهات می‌شود. چاپ چرخشی کنترل جهت را با موارد زیر معرفی می‌کند:
چرخاندن نازل هنگام اکسترود کردن → پیچش الیاف به صورت مارپیچ یا الگوهای شعاعی.
چرخاندن پلتفرم ساخت → دنبال کردن الیاف از مسیرهای تنش منحنی.
ترکیب چرخش با گرادیان‌های سرعت → ناهمسانگردی تنظیم‌شده محلی.
پارامترهای کلیدی (ωR/v)
ω: سرعت چرخش نازل/زیرلایه (rad/s).
R: شعاع نازل.
v: سرعت اکستروژن.
ωR/v = 0: بدون چرخش → الیاف مستقیم (ایزوتروپیک در صفحه XY).
ωR/v = 1: الیاف شروع به پیچ خوردن می‌کنند → مقاومت برشی/محوری ناهمسانگرد.
ωR/v > 1: چرخش زیاد → الیاف شعاعی/درهم‌تنیده (“بهم‌ریختگی” کنترل‌شده).
2.انواع ناهمسانگردی قابل دستیابی
الف. ناهمسانگردی مکانیکی
مثال: قطعه‌ای که در امتداد یک محور سفت اما در امتداد محور دیگر انعطاف‌پذیر است.
FDM چرخشی: الیاف مارپیچی از بافت استخوان یا چوب تقلید می‌کنند و در برابر ترک‌ها مقاومت می‌کنند.
کاربردها:
- اجزای سبک هوافضا (در امتداد مسیرهای بار قوی).
- ایمپلنت‌های ارتوپدی سفارشی (مطابق با ناهمسانگردی استخوان).
ب. ناهمسانگردی رسانا/حرارتی
مثال: رسانا در امتداد الیاف، عایق عمود بر هم.
- اکستروژن چرخشی کامپوزیت‌های نانولوله کربنی: الیاف برای ایجاد مسیرهای الکتریکی جهت‌دار هم‌تراز می‌شوند.
- الکترونیک انعطاف‌پذیر (مثلاً حسگرهای کشسان).
- هیت سینک ها با اتلاف حرارتی هدایت‌شده.
ج. ناهمسانگردی بیولوژیکی
مثال: داربست‌هایی برای بازسازی عضله/تاندون با میکروفیبرهای هم‌تراز.
- چاپ زیستی چرخشی: سلول‌ها در امتداد جهت الیاف رشد می‌کنند و بافت طبیعی را تقلید می‌کنند.
- داربست‌های عصبی (هدایت رشد آکسون).
*** باید توجه داشت که بسیاری از ویژگی‌ها و کاربردهای بیان‌شده در رابطه با ناهمسانگردی (مکانیکی، حرارتی/رسانا و زیستی) حاصل از چاپ سه‌بعدی چرخشی در مرحله‌ی آزمایشگاهی یا تحقیقاتی قرار دارند.
بسیاری از نتایج ثبت‌شده درباره ناهمسانگردی، مربوط به چاپ سه‌بعدی معمولی بدون چرخش فعال هستند. بنابراین، استفاده از این فناوری در کاربردهای واقعی همچنان نیازمند تحقیق، بهینه‌سازی و ارزیابی عملکرد در مقیاس صنعتی است.
چاپگر 3D-Rotoprinter: چیست؟
چاپگر سه بعدی روتو یک دستگاه FDM نسبتاً جدید است که با استفاده از یک محور چرخشی، رویکردی نسبتاً منحصر به فرد به چاپ سه بعدی دارد.
چاپگر سه بعدی روتو در مقایسه با اکثر چاپگرهای سه بعدی به طور منحصر به فردی کار می‌کند، اما همچنان از سیستم مختصات دکارتی (یعنی استفاده از محورهای X، Y و Z) استفاده می‌کند. سبک حرکت این نوع چاپگر بسیار شبیه به دستگاه تراش CNC است که یک جسم پایه را در برابر یک ابزار برش می‌چرخاند تا قطعه مورد نظر را بسازد. همچنین از یک حرکت چرخشی استفاده می‌کند، اما به جای تولید کاهشی، تولید افزایشی انجام می‌دهد. علاوه بر این، چاپگر روتو دارای یک سیستم اکستروژن استاندارد FDM است که در آن رشته رشته ذوب شده و از طریق یک نازل فشار داده می‌شود و مواد (معمولاً ترموپلاستیک) را به یک صفحه ساخت استوانه‌ای چرخان اضافه می‌کند.
هد چاپ در امتداد یک گانتری محور X حرکت می‌کند (طراح از ریل‌های کشویی مجرا با تسمه استفاده کرده است) که می‌تواند در امتداد محور Z به بالا و پایین حرکت کند. حرکت محور Y حرکت چرخشی صفحه ساخت را تعریف می‌کند که عنصر منحصر به فرد سبک حرکت چاپگر روتو است.
مزایا و معایب
مزایا
ویژگی‌ها را به خوبی در اطراف یک پایه استوانه‌ای چاپ می‌کند
افست Z یا «همسطح‌سازی بستر» فقط برای یک بخش خط نیاز به تنظیم دارد
نسبتاً سریع چاپ می‌کند
تعویض سطوح ساخت را آسان می‌کند
معایب
وابسته به کیفیت قطعه پایه
نمی‌توان قطعه پایه را چاپ کرد
به شدت وابسته به چسبندگی لایه اول
نیاز به تعویض سطح ساخت با هر چاپ، از جمله چاپ‌های ناموفق (مثلاً اگر نازل به پایه برخورد کند) دارد
نمی‌تواند اشیاء معمولی را چاپ کند مگر اینکه هسته استوانه‌ای داشته باشند
اطلاعات زیادی در مورد سیستم عامل، برش یا ساخت ارائه نمی‌دهد
نتیجه‌گیری
چاپ سه‌بعدی چرخشی، تحولی نویدبخش در تولید افزایشی است که کنترل بی‌سابقه‌ای بر ریزساختار داخلی از طریق رسوب جهت‌دار مواد ارائه می‌دهد. این تکنیک با فراهم کردن امکان ترازبندی الیاف، پرکننده‌ها یا حتی سلول‌ها در حین چاپ، ایجاد مواد ناهمسانگرد با خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی یا بیولوژیکی متناسب را تسهیل می‌کند. در حالی که بسیاری از کاربردهای آن در مرحله تحقیق یا مفهومی باقی مانده است، پتانسیل مهندسی اجزای با عملکرد بالا و الهام گرفته از طبیعت – به ویژه در هوافضا، زیست‌پزشکی و الکترونیک نرم – قابل توجه است. با بلوغ این فناوری، پیشرفت‌های بیشتر در علم مواد، طراحی چاپگر و مدل‌سازی فرآیند در تبدیل مزایای نظری آن به راه‌حل‌های عملی و مقیاس‌پذیر بسیار مهم خواهد بود.
منبع:
- Rotational 3D Printing: Innovating Stronger Parts
- 3D‐Printed Anisotropic Polymer Materials for Functional Applications – Chen – 2022 – Advanced Materials – Wiley Online Library
- Rotational 3D printing. (A) A stepper motor is directly interfaced with… | Download Scientific Diagram
- Researchers Develop New Rotational 3D Printing Method – 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing
- Researchers Have Created a New Rotational, Multimaterial 3D Printing Process – 3Dnatives
- 3D-Rotoprinter: What Is It? | All3DP
منابع تکمیلی پیشنهادی برای مطالعه
برای تجربه ی بهترین سفارش پرینت سه بعدی، با قیمتی مناسب، همین الان با ما تماس بگیرید.
آدرس: تهران، میدان آزادی، خیابان محمدخانی، پلاک 161، واحد 3